기계연 그래핀 대량생산 기술 세계 첫 개발

김재현 박사팀 기술이전 등 상용화 진행

국내 연구진이 꿈의 소재인 그래핀을 전사(轉寫)과정에서 파손 없이 전기적 특성을 유지, 대량 생산할 수 있는 시스템의 핵심 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

이 기술은 특허등록을 마치고 전문기업에 기술 이전돼 상용화가 진행 중이며 해외수출도 기대되고 있다.

한국기계연구원(KIMM) 나노역학연구실 김재현 박사팀은 그래핀을 폭 0.5m의 대면적 롤전사로 분당 2m의 속도로 전사, 유연 투명 전도체 필름을 대량 생산하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

그래핀(Graphene)은 탄소원자가 육각형으로 결합해 벌집 형태를 이루는 화합물로 기초 전자소재를 대체할 차세대 신소재다.

전기전도도나 강도, 유연성이 뛰어나 디스플레이, 태양전지 제품 등 응용분야가 많다. 메탄가스로부터 저렴하게 합성할 수 있지만 투명 전도체 필름의 전기적 특성이 일정하지 않아 상용화에 어려움을 겪어 왔다.

유연 필름 위에 형성하려면 전사공정이 필요한데 쉽게 파손돼 전기적 특성이 떨어지는 단점이 있다.

그래핀 응용시 파손을 얼마나 효율적으로 제어할 수 있느냐가 관건이었다. 연구진은 나노규모 두께 박막의 파손 거동을 평가하는 기술을 통해 그래핀이 손상되는 양상을 규명했다.

파손을 줄이기 위해 전사공정시 그래핀에 전달되는 마찰력, 수직항력, 인장력 등을 동시에 줄이거나 일정한 값으로 유지하는 다축 하중제어 기술 구현에 성공했다.

합성된 그래핀을 열박리테이프에 붙여 온도 차가 있는 롤러쌍 두개를 활용, 그래핀을 유연기판으로 전사하는 방식을 사용했다.

롤러의 상대적 속도, 다축 하중을 제어해 연속공정이 가능한 롤투롤 장비를 구현한 것이다.

이 기술은 국내·외 9건의 특허등록을 마쳤으며 추가로 8건의 특허가 출원 중이다.

연구결과는 ACS Nano, Scientific Report, Nanoscale 등의 저널에 출판됐다.

기계연 김재현 박사는 “이제껏 다양한 기반 기술이 확보돼 있지만 전사된 그래핀의 품질이나 면저항 균일도를 제어할 수 없었다”며 “고품질 그래핀의 대량 제조가 가능한 대면적 롤투롤 전사기술 개발은 공학적으로 중요한 의미가 있고 향후 그래핀을 활용한 제품의 세계시장 선점도 기대된다”고 말했다.

이영록 기자